李 東 張惠玲

（1西安交通工程學(xué)院，陜西西安 710300；2陜西學(xué)前師范學(xué)院，陜西西安 710100）

環(huán)糊精(Cyclodextrin，簡(jiǎn)稱CD)是直鏈淀粉在由芽孢桿菌產(chǎn)生的環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶作用下生成的一系列環(huán)狀低聚糖的總稱，屬第二代超分子大環(huán)主體化合物。環(huán)糊精通常含有6～12個(gè)D-吡喃葡萄糖單元，其單元均以1,4-糖苷鍵形式首尾相連，其結(jié)構(gòu)酷似沒(méi)有底的圓錐形桶狀物。依據(jù)苷鍵的結(jié)合方式不同，環(huán)糊精還可分為α-環(huán)糊精、β-環(huán)糊精和γ-環(huán)糊精。環(huán)糊精類物質(zhì)是由Villies在1891年首先發(fā)現(xiàn)的，其研究在上世紀(jì)60年代得到了迅猛發(fā)展。由于環(huán)糊精較小開口端自由羥基的存在使其具有親水性，而空腔內(nèi)由于受C-H鍵的屏蔽作用形成了疏水區(qū)。由于其大小不同的空腔可選擇性地絡(luò)合大小不同的金屬離子、無(wú)機(jī)有機(jī)分子及難溶于水的物質(zhì)，因而在催化科學(xué)、分析分離科學(xué)、染料科學(xué)、日用化工、石油化工、地礦科學(xué)、化妝品科學(xué)、香精科學(xué)、食品科學(xué)以及醫(yī)藥學(xué)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并在21世紀(jì)的熱點(diǎn)學(xué)科如生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、納米科學(xué)、航空航天等領(lǐng)域均彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防建設(shè)及新時(shí)代現(xiàn)代化建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域也凸顯出廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前已形成為一門新興的熱門邊緣學(xué)科—環(huán)糊精化學(xué)。

1 新型環(huán)糊精衍生物的合成及在材料科學(xué)中的應(yīng)用

1.1 新型蒽修飾的γ-環(huán)糊精衍生物的合成及應(yīng)用

研究表明，利用主客體相互作用構(gòu)筑超分子聚合物是超分子組裝研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1]。多金屬氧簇作為一種無(wú)機(jī)納米分子，其聚合反應(yīng)也是其難點(diǎn)[2]。吉林大學(xué)的關(guān)偉明等人認(rèn)為，當(dāng)蒽分子與γ-環(huán)糊精以1:2結(jié)合時(shí)具有加速光環(huán)合反應(yīng)的效果。為此，他們?cè)O(shè)計(jì)并合成了一種蒽雙側(cè)修飾的Anderson型多金屬氧簇物質(zhì)，并通過(guò)離子替換的方式使其具有水溶性。他們?cè)谒屑尤毽?環(huán)糊精后，成功地利用主客體作用構(gòu)筑了一種新型線性的超分子聚合物，并通過(guò)進(jìn)一步自組裝形成了纖維狀結(jié)構(gòu)。隨后，他們當(dāng)利用365nm的紫外光照射時(shí)，超分子聚合物實(shí)現(xiàn)了聚合反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為共價(jià)聚合物。光譜學(xué)表征證明該蒽修飾的多金屬氧簇可以成功地發(fā)生光環(huán)合反應(yīng)。他們還通過(guò)核磁可以清楚地看出，相比于單體在溶液中的直接聚合，加入了γ-環(huán)糊精后光環(huán)合效率有顯著的提升。這為實(shí)現(xiàn)多金屬氧簇的高效聚合和獲得雜化一維超分子聚輪烷提供了一種新方法[3]。該研究將在超分子化學(xué)、有機(jī)合成化學(xué)、金屬有機(jī)化學(xué)、納米科學(xué)、材料科學(xué)及光化學(xué)等研究中得到應(yīng)用。

1.2 新型橋聯(lián)環(huán)糊精與二聚偶氮苯單層二維超分子有機(jī)骨架的構(gòu)筑及應(yīng)用

溶液態(tài)自組裝形成結(jié)構(gòu)確定的二維超分子有機(jī)骨架是目前超分子化學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)[4]。為此，吉林大學(xué)的姜鳳瑞等人設(shè)計(jì)合成了一種新型三橋連環(huán)糊精與二聚bola型偶氮苯表面活性劑，通過(guò)二者之間在水溶液中的主客體相互作用，最終形成第一例以環(huán)糊精為主體的二維超分子有機(jī)骨架，其環(huán)糊精的手性可通過(guò)主客體相互作用傳遞到偶氮苯分子上。他們還通過(guò)紫外光照和可見光照，動(dòng)態(tài)調(diào)控了有機(jī)骨架的組裝與解組裝行為[5]。該研究豐富了超分子有機(jī)骨架的構(gòu)筑基元，為今后二維骨架材料的合成和應(yīng)用開辟了新的道路[6]。該研究將在材料科學(xué)、有機(jī)合成、超分子合成及主客體化學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1.3 新型三橋聯(lián)環(huán)糊精二維骨架超分子膜的構(gòu)筑及應(yīng)用

研究表明，橋聯(lián)環(huán)糊精具有水溶性好、生物相容性優(yōu)良、可結(jié)合并增溶有機(jī)客體分子等優(yōu)點(diǎn)，故是一種優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑基元[7]。由于Anderson型多金屬氧簇具有易于修飾、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、水溶性好及抑制客體基團(tuán)聚集等特點(diǎn)[8]，為此，吉林大學(xué)的高博等人設(shè)計(jì)合成了以三苯基苯為中心，通過(guò)CuAAC點(diǎn)擊反應(yīng)與環(huán)糊精相連的三橋聯(lián)環(huán)糊精。將橋聯(lián)環(huán)糊精與偶氮苯修飾的多金屬氧簇相結(jié)合獲得雙頭客體雜化體。將雙頭客體組分通過(guò)與三橋聯(lián)環(huán)糊精的主客體相互作用，獲得二維骨架結(jié)構(gòu)超分子組裝體。他們還通過(guò)核磁等方法對(duì)水溶液中主客體結(jié)合作用力進(jìn)行了確認(rèn)，通過(guò)透射電子顯微鏡、原子力顯微鏡等實(shí)驗(yàn)手段，觀察到了水溶液中二維組裝體結(jié)構(gòu)的存在，從而表明應(yīng)用橋聯(lián)環(huán)糊精和多金屬氧簇的橋接，成功地制備了一種二維結(jié)構(gòu)材料。該材料將在納米尺寸生物分離、自修復(fù)等領(lǐng)域得到良好應(yīng)用[9]。該研究將在材料科學(xué)、主客體化學(xué)、超分子合成、有機(jī)合成及分析分離科學(xué)中得到應(yīng)用。

2 新型環(huán)糊精衍生物的合成及在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用

2.1 環(huán)糊精參與的甲基乙烯基醚馬來(lái)酸交替共聚物超分子水凝膠的制備及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)表明，甲基乙烯基醚馬來(lái)酸交替共聚物(P(MVE-alt-MA）)是一種具有良好生物相容性的高分子材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于健康保健和醫(yī)藥領(lǐng)域[10-11]。為此，東南大學(xué)的馬曉娥等人應(yīng)用β-環(huán)糊精（β-CD）和偶氮苯(Azo)（或金剛烷Ad）之間的主客體相互作用合成了P(MVE-alt-MA)超分子凝膠，并研究了其外界刺激響應(yīng)性和應(yīng)用。首先他們分別制備了主體大分子鏈（H-P），即β-環(huán)糊精接枝的P(MVE-alt-MA)（P(MVE-alt-MA)-g-β-CD），和客體大分子鏈（G-P），即偶氮苯(Azo)（或金剛烷Ad）接枝的P(MVE-alt-MA)（P(MVE-alt-MA)-g-Azo或P(MVE-alt-MA)-g-Ad），然后將H-P和G-P按照一定濃度和比例混合即 可 形 成 P(MVE-alt-MA) 超分子 凝 膠 ，P(MVE-alt-MA)-g-β-CD/P(MVE-alt-MA)-g-Azo和 P(MVE-alt-MA)-g-β-CD/P(MVE-alt-MA)-g-Ad,并應(yīng)用二維核磁（2D-NOESY）證實(shí)了超分子凝膠的形成。該類P(MVE-alt-MA)超分子凝膠不僅對(duì)光刺激響應(yīng)有反應(yīng)、而且對(duì)pH和溫度均具有敏感性，并且有一定的自修復(fù)性能。故所獲得的超分子凝膠具有良好的細(xì)胞相容性，因而適合作為三維細(xì)胞培養(yǎng)支架[12]。該研究將在醫(yī)藥學(xué)、材料科學(xué)、分析分離科學(xué)、生命科學(xué)及超分子化學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2.2 新型長(zhǎng)鏈分子與修飾過(guò)的β-環(huán)糊精自組裝超分子雙親物的構(gòu)筑及應(yīng)用

近年來(lái)，超分子兩親物的囊泡被廣泛用于體內(nèi)或體外的抗腫瘤藥物靶向輸送引起了人們濃厚的研究興趣。超分子雙親物囊泡可以在體內(nèi)或體外刺激響應(yīng)性于pH離子、谷胱甘肽、精胺等，這些刺激與腫瘤細(xì)胞緊密相關(guān)，從而使超分子囊泡可以很好地實(shí)現(xiàn)腫瘤的靶向治療[13]。目前，對(duì)于超分子囊泡的研究靶向性單一、毒性也大、裂解后的產(chǎn)物不能被生物降解而在體內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)。為此，昆明理工大學(xué)的李凡結(jié)等人利用一條無(wú)毒易代謝的長(zhǎng)鏈分子與修飾過(guò)的β-環(huán)糊精通過(guò)自組裝形成了一個(gè)新型超分子雙親物。其中設(shè)計(jì)的長(zhǎng)鏈可以在弱酸性、谷胱甘肽刺激下斷裂，這樣可以有效自主的控制超分子囊泡的形成與裂解。由于腫瘤細(xì)胞的微環(huán)境呈現(xiàn)弱酸性，故將抗腫瘤藥物封裝在該超分子囊泡中，可以將藥物靶向運(yùn)輸?shù)侥[瘤細(xì)胞處并釋放出來(lái)。該研究表明其藥物載體能高效地運(yùn)輸抗腫瘤藥物，且具有細(xì)胞毒性很低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)pH值的改變還可以實(shí)現(xiàn)該藥物載體的自解/組裝及降解功能。由于該藥物載體具有諸多優(yōu)點(diǎn)，故可用于腫瘤靶向治療中[14]。

2.3 新型環(huán)糊精雷公藤甲素包合物的形成及應(yīng)用

研究表明，雷公藤甲素（Tri）具有顯著的抗腫瘤、抗炎、抗生育、免疫抑制、止痛、抗菌等多種生理活性，但由于其毒副作用較大、水溶性較差且生物利用度較低，因而使其開發(fā)和應(yīng)用受到了限制[15]?；诃h(huán)糊精的聚輪烷具有毒性低、尺寸可控和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，故把藥物鍵接到環(huán)糊精聚輪烷上，可以增大藥物的細(xì)胞滲透性、有效控制藥物的釋放，并改善其水溶性差、載藥量低和生物利用度低等缺點(diǎn)[16]，因而使得環(huán)糊精聚輪烷鍵合藥物活性分子在藥物研究方面得到廣泛關(guān)注[17]。為此，云南師范大學(xué)的趙麗娟等人將乙二胺修飾β-環(huán)糊精與聚醚胺（PPG2000）構(gòu)筑成聚輪烷結(jié)構(gòu)，再鍵合上具有靶向功能的葉酸（FA）分子，最后將抗腫瘤活性分子Tri接到環(huán)糊精的邊臂上，制備出了雷公藤甲素聚輪烷的組裝體，期望其成為一種優(yōu)良的雷公藤甲素載體。他們的表征實(shí)驗(yàn)和抗腫瘤活性研究仍在進(jìn)行中[18]。該研究將在醫(yī)藥學(xué)、材料科學(xué)、超分子化學(xué)及生命科學(xué)的等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

3 新型環(huán)糊精衍生物的合成及在分析分離科學(xué)中的應(yīng)用

3.1 由環(huán)糊精參與的新型無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合材料的合成及應(yīng)用

環(huán)糊精作為一種納米尺寸的超分子大環(huán)主體分子，一方面可以與尺寸匹配的疏水有機(jī)基團(tuán)形成穩(wěn)定的主客體準(zhǔn)輪烷，同時(shí)也是優(yōu)異的納米組裝單元。為此，吉林大學(xué)的王佳旭等人利用他們?cè)O(shè)計(jì)合成的雙頭型陽(yáng)離子表面活性劑與環(huán)糊精預(yù)組裝為陽(yáng)離子準(zhǔn)輪烷，在此基礎(chǔ)上，他們還引入多金屬氧簇組分并通過(guò)其與雙頭陽(yáng)離子客體的靜電組裝，將環(huán)糊精分子封閉在多金屬氧簇陰離子作為結(jié)點(diǎn)封端的超分子框架內(nèi)。由于環(huán)糊精對(duì)客體分子間相互作用的屏蔽效應(yīng)，得到的離子骨架組裝體只在二維方向上延展。他們通過(guò)組裝結(jié)構(gòu)表征可知，這種新型二維離子骨架很容易得到單層厚約為1.4nm的組裝復(fù)合材料。該新型無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合材料將在粒子分離、催化、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到應(yīng)用[19]。

3.2 新型羥丙基-β-環(huán)糊精修飾的三維石墨烯基納米復(fù)合材料的合成及應(yīng)用

研究表明，手性作為生命體的重要特征之一，其識(shí)別在醫(yī)藥、生命科學(xué)、食品科學(xué)及材料科學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值[20]。三維石墨烯（3D-G），因其獨(dú)特的網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，具有更好的電子傳導(dǎo)能力、更大的比表面積、更多的活性位點(diǎn)以及較好的生物兼容性等特性，故被廣泛地應(yīng)用于超級(jí)電容器[21-22]、環(huán)境修復(fù)[23]以及傳感器構(gòu)建等領(lǐng)域。為此，山西大學(xué)的戎艷琴等人首先構(gòu)建了一種羥丙基-β-環(huán)糊精（HP-β-CD）修飾的三維石墨烯基納米復(fù)合材料（3D-G/HP-β-CD），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，羥丙基-β-環(huán)糊精功能化的三維石墨烯擁有良好的水溶性、導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。他們進(jìn)一步通過(guò)將該復(fù)合材料修飾在玻碳電極表面，基于環(huán)糊精對(duì)手性小分子的選擇性識(shí)別能力，構(gòu)建了一種對(duì)色氨酸（Trp）對(duì)映異構(gòu)體具有識(shí)別能力的電化學(xué)傳感器，并利用差分脈沖伏安法（DPV）對(duì)色氨酸對(duì)映異構(gòu)體進(jìn)行了檢測(cè)。該方法與已報(bào)道的類似方法相比，具有較寬的檢測(cè)范圍和較低的檢出限量，故展現(xiàn)出良好的靈敏度和選擇性。由此可見，在3D-G優(yōu)異的電化學(xué)性能和HP-β-CD獨(dú)特的手性空腔結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用下，色氨酸（Trp）對(duì)映異構(gòu)體可以通過(guò)電化學(xué)傳感的方法被快速有效地識(shí)別檢測(cè)[23]。該研究將在醫(yī)藥學(xué)、生命科學(xué)、食品科學(xué)及材料科學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，環(huán)糊精化學(xué)作為一門植根深遠(yuǎn)的新興熱門邊緣學(xué)科，其應(yīng)用無(wú)處不有，實(shí)例難以盡舉。故環(huán)糊精作為第二代超分子大環(huán)主體化合物目前已有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但仍方興未艾。今后環(huán)糊精研究的重點(diǎn)主要將集中在以下五個(gè)方面：（1）環(huán)糊精在非熱門領(lǐng)域的研究，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和地質(zhì)勘探領(lǐng)域；（2）環(huán)糊精及其衍生物在對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)的控制和影響方面的研究；（3）如何高效回收使用過(guò)的環(huán)糊精；（4）新型環(huán)糊精衍生物的合成、主客體超分子的自組裝及應(yīng)用；（5）在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)環(huán)糊精的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，變環(huán)糊精進(jìn)口國(guó)為出口國(guó)。不過(guò)我們堅(jiān)信，隨著我國(guó)對(duì)環(huán)糊精化學(xué)研究的不斷深入，環(huán)糊精化學(xué)這把“萬(wàn)能鑰匙”將會(huì)啟開更多的應(yīng)用“鎖”，從而更好地造福于人類。